拉刀磨床技術改造

神龍汽車有限公司襄陽工廠 (湖北 441004)徐潤伯 董 輝 千里峰

襄陽工廠XF0029是武漢機床廠生產的M6110D型拉刀刃磨床，用于刃磨各種拉刀，如:圓形拉刀、花鍵拉刀及其他內孔拉刀(螺旋槽拉刀除外)、平面拉刀、鍵槽拉刀等前刃齒背和后角的刃磨。主軸轉速2 800r/min，加工方式為干式磨削。1998 年投入使用至今，主要用于變速箱齒輪加工的各種拉刀修磨。自2006 年起變速箱齒套線使用的拉刀在刃磨后頻繁出現“加工橢圓”、“加工有拉痕”等不正常的現象，同時刀具的加工壽命不足設計壽命的3/4，致使生產線效率低、廢品率高，刀具費用居高不下。為了保證公司的產能需求，降低成本，有必要對該設備進行全面升級改造。經過技術人員的反復論證，從刀具刃磨工藝和設備主軸的兼容性、經濟性、前瞻性等方面考慮，決定采用國產的電主軸以及與之匹配的施耐德ATV 系列變頻調速系統進行改造，并改善機床的加工方式。

襄陽工廠后期投資的設備以高速加工中心為主，全部使用了電主軸。因設備產地的不同，使用的電主軸品牌也不同。至2010 年底，共有20 個品牌，150 多臺電主軸，且全部是進口品牌，后期設備維護中電主軸的維修、更換成為一大難題。推進電主軸國產化，既降低設備采購成本，又方便后期維護。

1.項目概況

(1)設備產生拉刀加工質量不穩定和刀具壽命低的主要原因是刀具刃磨后的質量差。為提高刀具刃磨質量，需要提高砂輪磨削的線速度。原設備使用的普通三相異步電動機，轉速只有2 800r/min，砂輪線速度最大為15m/s。因設備老舊，沒有合適的高轉速主軸直接替換。依據現有設備技術參數要求，量身定做電主軸。改造后的主軸轉速是12 000r/min，砂輪線速度達到55m/s。

(2)主軸采用變頻器控制，對常用的三種砂輪，分別預制三種不同主軸轉速，實現在更換砂輪后，直接通過面板選擇相應的主軸轉速，保障了砂輪的線速度。

(3)增加切削液冷卻系統，實現設備磨削時自動冷卻，刀具的表面粗糙度值從原來的Ra=1.6μm提高到現在的Ra=0.4μm。

2.改造前后機床加工狀況對比分析

改造前，機床主要存在如下問題:

(1)修磨的拉刀經常出現加工零件異常:加工零件M 值大、零件有拉痕、零件R 值超差、零件端跳超差、表面粗糙度值超差、零件有橢圓等。

(2)拉刀使用壽命短，修磨次數頻繁。以拉刀使用點XF1138 設備為例，分別從修磨次數、加工異常次數及換刀頻次3 個方面，對改造前后對比分析(見表1、表2)。

表1 改造前XF1138 拉刀加工跟蹤

表2 改造后XF1138 拉刀加工跟蹤

(續)

由設備改造前后對比分析可以看出，取得了如下顯著效果:

(1)修磨次數大幅降低，延長刀具壽命。

(2)改造后幾乎沒有出現過加工異?，F象，零件加工質量顯著提升。

(3)零件加工數量提高，降低刀具消耗，提升設備能力值。

3.電主軸選型及設計方案

拉刀是一種成形尺寸刀具，在使用過程中一般只刃磨前刀面。拉刀刃磨是在專用的拉刀磨床上進行的，當在專用手工拉刀磨床上進行時，需要利用磨外圓夾具帶動拉刀做旋轉運動。刃磨時，砂輪的進給和退出路線是由上至下，自左向右，直至將刀齒上的磨損部分全部磨去為止。停止砂輪進給后，需先磨一個短時間(幾秒至十幾秒)。砂輪退出時，為了防止砂輪垂直上升時碰傷刀刃，一般自右向左平行退出一段距離，然后快速垂直上升，接著刃磨另一個刀齒。要保證拉刀刃口的平整，刃磨后前刀面的表面質量要求較高，一般要求表面粗糙度值Ra=0.4μm，設備改造前刀具刃磨的表面粗糙度值Ra=1.6μm，而刀具的表面粗糙度值與設備的砂輪線速度及主軸跳動大小有直接關系。對比分析法國SMP 進口刀具磨床，砂輪主軸采用了德國GMN 電主軸，最高轉速是21 000r/min，跳動是0.01mm。原設備主軸使用普通三相異步電動機，轉速只有2 800r/min，跳動是0.04mm。因此，想要提高刀具刃磨后的表面質量，主軸必須采用電主軸，而進口電主軸價格高，且沒有合適安裝尺寸。為了既可改善設備加工質量，又能降低成本，我們決定嘗試采用國產電主軸。在眾多國產電主軸生產廠家中，依據廠家實力及以往合作經歷，我們選擇了洛陽軸研科技股份有限公司。與洛陽軸研科技股份有限公司協商，依據現有機床特點，經過多次測繪及試驗，訂做了120MD12Z4.5L 型電主軸。

主要技術參數為:轉速12 000r/min，功率:4.5kW (S6 線制，60%常載率)，電壓330VAC，電流13.5A (S6 線制，60%常載率)，頻率200Hz，相數為3 相，旋向是從軸伸端看順時針旋轉，內孔1.5內錐，外形尺寸(D×L):φ120h5×255mm。

4.變頻調速系統參數設定

電主軸必須與變頻器配合使用，依據優先選用工廠使用量較大的變頻器品牌，我們選用了施耐德ATV71 系列變頻器。

變頻器功能參數很多，有數十種參數供用戶選擇。實際應用中，沒必要對每一參數都進行設置和調試，多數只要采用出廠設定值，根據設備應用需求進行設定和調試。主要參數配置如表3 所示。

表3

為實現通過外部開關直接控制主軸轉速，首先需要設定需要的預設轉速(變頻器參數中400Hz 對應18 000r/min)，如表4 所示。

表4 (單位:Hz)

其次，預設速度是通過輸入點的組合使用，選擇對應的預設速度，如圖1 中，通過輸入點LI1-6 的組合使用，最多可以選擇16 個預設速度。

圖1

最后還需要在菜單1.5 中相應的輸入點進行參數配置，“v”表示激活對應的輸入點，輸入點激活后，可以輸入一個開關量(24 VDC)，使對應的輸入點為“0”或“1”。

5.電氣原理圖設計

(1)機床控制部分:原設備機床控制部分使用是220VAC，能耗大，安全性低。改造后，所有控制回路全部使用低壓24VDC 控制電源。

(2)變頻調速控制部分:通過轉換開關控制變頻器的輸入點:L3/L4/L5，可以實現三種不同的預置速度相互切換(見圖2)。

圖2

6.冷卻系統設計

(1)電主軸冷卻設計部分:根據洛陽軸研科技股份有限公司提供的120MD12Z4.5L 型電主軸使用說明，主軸電動機采用水冷卻定子外殼及前軸承，冷卻水自主軸尾端下方進入，從上方排出。電主軸溫度控制在50°內，水泵實際流量按10～12L/min 的要求，選擇泵及設計水箱。

齒輪泵具有體積小、重量輕、結構簡單、價格低、工作可靠、自吸性能好、對油液污染不敏感、維護方便等特點，故優先考慮。

主軸使用說明要求水泵實際流量為10～12L/min;齒輪泵容積效率為0.7～0.9，由此計算泵額定流量。泵額定流量=實際流量×1.3≈6L/min，因此選擇CB—B16 型齒輪水泵。

水箱容積的計算:該型號電動機功率為4.5kW，功率損失0.05。散熱面積

按立方體形箱體計算，箱體有效散熱面積估算公式:A≈6.66×(V2)1/3，V=［(A/6.66)3］1/2=0.027m3(約30L)。

工作原理如圖3 所示。

圖3

(2)切削液設計部分:切削液的冷卻作用使切削溫度降低，切削液的潤滑作用使砂輪和被加工表面間的摩擦狀況得到改善，從而減少了切削過程的塑性變形，對降低表面粗糙度值有很大作用。冷卻方式為水冷，由于磨削進給量小于0.2mm，因此選擇大于20Pa 的提升泵即可，水箱容積30L (設計圖樣與主軸冷卻箱一致)。

7.實施效果

對襄陽工廠使用拉刀的生產線設備，通過改造前后對比分析，所有改造后的刀具使用壽命均得到有效提高，刀具異常次數降為零。

(1)經濟效益:自主設計改造，實際投入備件采購成本13 668 元。改造完成后，經兩年的實際應用，刀具消耗成本下降180 萬元/年。

(2)社會效益:目前國內電主軸多為進口產品，在拉刀磨床改造上使用國產電主軸，在刀具磨床應用領域并不多見，為今后國產電主軸的應用提供了借鑒，對加快我國電主軸事業的發展起到了積極的作用。